JP2015029085A - 面発光型レーザ、および前記面発光型レーザを用いた光干渉断層計 - Google Patents

Abstract

【課題】 上部反射鏡や下部反射鏡の構成を変えることなく、波長可変幅を広くすることと波長可変速度を高くすることを両立できる新規な面発光型レーザを提供すること。
【解決手段】 下部反射鏡と、活性層と、空隙部と、上部反射鏡と、をこの順に有し、出射する光の波長を変化可能な面発光型レーザであって、前記空隙部の光路上に、前記空隙部の屈折率と異なる屈折率を有する可動部が設けられており、前記空隙部の光路上における前記可動部の光軸方向の位置を変化させることで、出射する光の波長を変化させることを特徴とする面発光型レーザ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、波長可変の面発光型レーザ、および前記面発光型レーザを用いた光干渉断層計に関する。

出射する光の波長を変化可能な、いわゆる波長可変レーザは、通信やセンシング、イメージングなどの様々な分野への応用が期待できることから、近年盛んに研究開発が行われている。

波長可変レーザの一種として、カンチレバー構造をなすミラーを用いることにより垂直共振器型面発光型レーザのレーザ発振波長を制御する、いわゆる波長可変面発光半導体レーザ素子が知られている（特許文献１）。垂直共振器型面発光型レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）を以下ではＶＣＳＥＬと略すことがある。

ここで、ＶＣＳＥＬは一般的に、一対の分布ブラッグ反射鏡の間に活性層を設けた構成を有し、一対の分布ブラッグ反射鏡間の距離によって定まる共振器長に応じた波長でレーザ発振する。以下では分布ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）をＤＢＲと略すことがある。

特許文献１に開示のレーザ素子では、カンチレバー構造をなすミラーの位置を機械的に動かすことで共振器長を変化させ、レーザ発振波長を変化させることができる。以下、出射させる光の波長を変えることができるＶＣＳＥＬを波長可変ＶＣＳＥＬと呼ぶことがある。

また、波長可変ＶＣＳＥＬは光干渉断層計（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ、以下ＯＣＴと略すことがある）用の光源として好適であることが知られている（特許文献２）。

特開平９−２７０５５６号公報 米国特許出願公開第２００７／０１８３６４３号明細書

波長可変ＶＣＳＥＬをＯＣＴ用の光源に利用する場合、ＯＣＴの深さ分解能向上のために、波長可変幅が広いことが好ましい。また、ＯＣＴの測定時間短縮のために波長可変速度が高いことが好ましい。

ここで、本発明の発明者は、波長可変ＶＣＳＥＬにおいて課題を見出した。

波長可変ＶＣＳＥＬの波長可変幅を広げるためには、上部反射鏡または下部反射鏡を機械的に動かす際の変位量を大きくする必要がある。その際、反射鏡のばね定数が大きすぎると、大きな変位量を得るためには大きな力を加えなければならないので、ばね定数はより大きくしないことが望ましい。

また、波長可変ＶＣＳＥＬの波長可変速度を高くするためには、反射鏡を速く振動させる必要がある。そのためには振動させる反射鏡の共振周波数を大きくすることが有効である。

つまり、波長可変ＶＣＳＥＬの波長可変幅を広くすることと、波長可変速度を高くすることを両立するためには、反射鏡のばね定数を大きくせずに共振周波数を大きくする必要がある。

ここで、ばね定数と共振周波数の関係について説明する。
短冊形のカンチレバーのばね定数ｋと共振周波数ｆは、それぞれ以下の式（１）（２）であらわせる。

ただし、上記式（１）（２）における各パラメータは以下のことを表わす。
ｗ：カンチレバーの幅
ｄ：カンチレバーの厚さ
ｌ：カンチレバーの長さ
Ｅ：カンチレバーを形成する材質のヤング率
ρ：カンチレバーを形成する材質の密度
上記式（１）（２）から、薄く短いカンチレバーを形成すれば、ばね定数を大きくせずに共振周波数を大きくできることがわかる。具体的な数値を挙げると、カンチレバーの厚さと長さを半分にすれば、ばね定数を変化させずに共振周波数を２倍にできる。

しかしながら、一般的な波長可変ＶＣＳＥＬにおいて実際にこのような構成をとることは困難である。

図１３に、一般的な波長可変ＶＣＳＥＬの断面模式図を示す。上部反射鏡１３００と下部反射鏡１３１０との間に活性層１３２０、空隙部１３３０が設けられた構成となっている。また、１３６０、１３７０はそれぞれ第１のスペーサ層、第２のスペーサ層を表わす。

上部反射鏡１３００を紙面の上下方向に動かすことで空隙部１３３０の長さ（上部反射鏡１３００と第２のスペーサ層１３７０との距離）を変え、共振器長を変えることができるので、レーザ発振波長を変えることができる。

反射鏡としては、レーザ発振に必要な高反射率を得るために、誘電体または半導体の多層膜で構成されたＤＢＲを使用する事が一般的である。

一般的なＤＢＲは、屈折率の異なる２種類の層を光学厚さ１／４波長で交互に積層することで形成される。ＤＢＲの反射率は２種類の層の屈折率差と積層数で決まり、必要な反射率が高くなるほど多くの積層数が必要となる。

特に、誘電体に比べて屈折率差を大きくとれない半導体でＤＢＲを形成する場合、ＶＣＳＥＬの反射鏡として求められる高反射率を得るためには多くの積層数を必要とする。材料の屈折率にもよるが、厚さにすると数ミクロン以上になる場合もある。

前述のように、ばね定数を大きくせずに共振周波数を大きくするために、ＤＢＲの厚さを薄くすることが望まれている。ＤＢＲの厚さを薄くするには、ＤＢＲを構成する各層の厚さを薄くするか積層数を減らす必要がある。

ＤＢＲを構成する各層の厚さは、光学厚さが光波長の１／４となるように設計される。つまり、各層の厚さは反射させる光の波長と使用する材料の屈折率とで決まるので、それを大幅に変更することはできない。

また、ＤＢＲの積層数を減らすと反射率が下がりレーザ発振閾値の増大につながるので、ＤＢＲの積層数も大幅に減らすことはできない。

そのため、現実的にはＤＢＲの厚さを薄くすることは難しく、ばね定数を大きくせずに共振周波数を大きくするのには限界がある。それにより、従来の波長可変ＶＣＳＥＬでは、波長可変幅を広くすることと波長可変速度を高くすることを両立することは難しかった。

本発明は、上記課題に鑑み、上部反射鏡、および下部反射鏡を駆動することなく、出射される光の波長を変化させることができる新規な面発光型レーザを提供することを目的とする。

本発明に係る面発光型レーザは、下部反射鏡と、活性層と、空隙部と、上部反射鏡と、をこの順に有し、出射する光の波長を変化可能な面発光型レーザであって、前記空隙部の光路上に、前記空隙部の屈折率と異なる屈折率を有する可動部が設けられており、前記空隙部の光路上における前記可動部の光軸方向の位置を変化させることで、出射する光の波長を変化させることを特徴とする。

本発明に係る面発光型レーザによれば、上部反射鏡、および下部反射鏡を駆動することなく、出射される光の波長を変化させることができる新規な面発光型レーザを提供できる。新規な面発光型レーザは、上部反射鏡、および下部反射鏡を駆動させないため、その構成を変えることなく、波長可変幅を広くすることと波長可変速度を高くすることを両立できる。

本発明の実施形態１に係る面発光型レーザの構成を示す断面模式図である。 本発明の実施形態１に係る面発光型レーザの波長可変の原理を説明するためのグラフである。 本発明の実施形態２に係る面発光型レーザの構成を示す断面模式図である。 本発明の実施形態３に係る面発光型レーザの構成を示す断面模式図である。 本発明の実施形態に係る面発光型レーザを用いたＯＣＴを説明するための図である。 本発明の実施例１における面発光型レーザの発振波長を計算した結果を示すグラフである。 本発明の実施例３における面発光型レーザの発振波長を計算した結果を示すグラフである。 本発明の実施例４に係る面発光型レーザの発振波長を計算した結果を示すグラフである。 本発明の実施例５における面発光型レーザにおいて、可動部の屈折率を変えたときの波長可変幅の変化を示すグラフである。 本発明の実施例６における面発光型レーザで、共振器長を変えたときの波長可変幅の変化を示すグラフである。 本発明の実施例７における面発光型レーザで、可動部の位置とレーザ発振波長および閾値利得の関係を示すグラフである。 本発明の実施例８における面発光型レーザで、可動部の厚さと波長可変幅の変化を示すグラフである。 従来の波長可変ＶＣＳＥＬの構造を示す断面模式図である。

（実施形態１）
（面発光型レーザ）
以下に、本発明の実施形態における、出射する光の波長を変化可能な、いわゆる波長可変の面発光型レーザについて図１を用いて説明する。なお、本明細書中ではレーザ素子の基板側を下側、基板と反対側を上側と定義する。また、本明細書において波長可変レーザとは、波長を連続的に時間変化させる波長掃引レーザだけでなく、波長を不連続に時間変化させるレーザや、発振波長を時間変化させずに、単に切り替えることが可能なレーザも含む。本発明は、波長可変速度が速いため、波長掃引レーザとして好適である。

本明細書中では、中心波長とは、面発光型レーザから出射可能なレーザ光の波長範囲の中心の波長という意味で使用する。つまり、レーザ発振可能な最短波長と最長波長の中心の波長を意味する。レーザ発振可能な波長は共振器長の変動幅、反射鏡の反射帯域、活性層の利得帯域などによって決まる。設計時は、基本的には中心波長を設定して、それに合わせて各要素の構成を決める。

本明細書中では、共振器中で共振している光が進む方向、すなわち基板や活性層の面に垂直な方向を光軸方向と定義する。本実施形態に係る面発光型レーザは、ＤＢＲで構成された下部反射鏡１１０と、活性層１２０と、空隙部１３０と、ＤＢＲで構成された上部反射鏡１００とをこの順に有する。また、下部反射鏡１１０と活性層１２０との間に第１のスペーサ層１６０、活性層１２０と空隙部１３０との間に第２のスペーサ層１７０が設けられている。

本実施形態に係る面発光型レーザは空隙部１３０の光路上に、空隙部１３０の屈折率と異なる屈折率を有する可動部１４０を有することに特徴がある。本実施形態に係る面発光型レーザにおいて、共振器は上部反射鏡１００と下部反射鏡１１０とで形成される。図１の場合上部反射鏡１００と空隙部１３０との光軸上の界面と、下部反射鏡１１０と第一のスペーサ層１６０との光軸上の界面との間に形成される。この共振器の光路長を共振器長と呼ぶ。

空隙部１３０の光路上における可動部１４０の光軸方向の位置を変化させる、具体的には上部反射鏡１００と第２のスペーサ層１７０との間を往復させる。従来技術とは異なり、上部反射鏡１００、および下部反射鏡１１０は不動なので見た目の共振器長は変化しないが、空隙部１３０の光路上に、空隙部１３０と異なる屈折率を有する可動部１４０を設けることで、実効的な共振器長が変化する。可動部１４０の位置に応じて実効的な共振器長が変わることを利用してレーザ発振波長を変えることができる。なお、可動部１４０は不図示の駆動部によって位置を変化させる。

また、可動部１４０の光軸方向の厚さを、上部反射鏡１００、および下部反射鏡１１０の光軸方向の厚さに比べて薄くすることで、前述のようにばね定数を大きくせずに共振周波数を大きくすることができる。すなわち、上部反射鏡、および下部反射鏡の構成を変えることなく、波長可変幅を広くすることと波長可変速度を高くすることを両立できる。

また、可動部１４０の重量を上部反射鏡１００、および下部反射鏡１１０よりも小さくすることで、上部反射鏡１００や下部反射鏡１１０の位置を変化させるよりも早く、可動部の位置を変化させることができる。その結果、波長可変速度を速くすることができる。例えば、可動部１４０を、上部反射鏡１００、および下部反射鏡１１０よりも密度が小さい材料とすれば、かつ、上部反射鏡１００、および下部反射鏡１１０より厚さが厚くても、可動部の位置をより早く変化させることができる。

なお、上部反射鏡１００と下部反射鏡１１０とで形成される共振器長は、面発光型レーザから出射可能な光の波長範囲の中心波長を１波長としたときに、１０波長以下であることが好ましく、３波長以下であることがさらに好ましい。

（波長可変の原理）
図２で示すグラフを用いて、本実施形態に係る面発光型レーザの波長可変の原理について定性的な説明を行う。

グラフの下半分は、ＤＢＲで構成された上部反射鏡１００と同じくＤＢＲで構成された下部反射鏡１１０の間に空隙部１３０を挟んだＶＣＳＥＬ構造の屈折率分布の一例を表わす。グラフの上半分は、そのＶＣＳＥＬ構造の共振波長における光強度分布を計算した結果の一例を示している。この構造の空隙部１３０部分に可動部を挿入する場合を考える。

光分布の節の位置２００に可動部を挿入した場合は、光と可動部の相互作用は弱いので、光が可動部からあまり影響を受けず、可動部を挿入したことによる実効的な共振器長の変化は少ない。

一方、光分布の腹２１０の位置に可動部を挿入した場合は、光と可動部の相互作用が強いので、光が可動部から大きく影響を受け、実効的な共振器長が大きく変化する。

つまり、空隙部１３０中に配置する可動部の位置によって実効的な共振器長を変えることができ、可動部の位置を適切に制御することでレーザ発振波長を制御することが可能となる。

なお、空隙部１３０中に配置する可動部の屈折率が空隙部中のバックグラウンドの屈折率と同じである場合はこのような効果は生じない。したがって、可動部とバックグラウンドである空隙部１３０は異なる屈折率を有している必要がある。また、空隙部１３０中で光が通過する領域、すなわち光路上に可動部を配置する必要がある。

（可動部）
本実施形態に係る面発光型レーザにおいて、空隙部中に設ける可動部は空隙部と異なる屈折率を有していれば特に限定されない。また、空隙部の構造に特に制限は無く、製造方法によって作りやすい構造を使用することができる。例えばエピタキシャル成長と選択ウエットエッチングにより空隙部を形成する場合は、その中に配置する可動部はスラブ形状であることが好ましい。なお、本明細書中でスラブ形状とは薄板状の形状を指す。

本実施形態における可動部の屈折率の好適な範囲は可動部の厚さによって異なるが、屈折率が大きいほど波長可変幅が大きいため好ましい。

可動部の形状は、必要な変位量や共振周波数に合わせて設計することができる。

材料の密度やヤング率から上記式（１）（２）に当てはめて計算し、カンチレバーの厚さや長さを決めることができる。

なお、後述する実施例で示されるように、可動部の光学厚さは面発光型レーザから出射可能な光の波長範囲の中心波長の１／４±２０％の範囲であることが好ましく、中心波長の１／４±１０％の範囲であることがより好ましい。

本実施形態における可動部を構成する材料としては、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ（ｘは０以上１以下の数）を用いることができる。

Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓの選択ウエットエッチング時のエッチャントとしてクエン酸水溶液と過酸化水素水の混合液を使用する場合は、Ａｌ組成が低いものほどよく溶ける。それを利用して、例えばエッチング後に空隙部となる犠牲層をＧａＡｓで、可動部となる層をｘが０．５以上のＡｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓで構成することができる。

また、エッチャントとしてバッファードフッ酸を使用する場合は、Ａｌ組成が高いものほどよく溶ける。この場合は例えば空隙部となる犠牲層をｘが０．８以上のＡｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓで、可動部となる層をｘが０．５以下のＡｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓで構成することができる。

（上部反射鏡、下部反射鏡）
本実施形態に係る面発光型レーザにおいて、上部反射鏡および下部反射鏡は、レーザ発振に足る反射率を得られるものであれば特に制限はない。上部反射鏡、および下部反射鏡の少なくともいずれか一方として分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）、とりわけ積層数を多くしたＤＢＲを用いると、反射率が高く、レーザ発振閾値を低くできるため好ましい。

なお、積層数の多いＤＢＲのように厚い反射鏡を使用する場合には、従来のように反射鏡を駆動させる方式でばね定数を大きくせずに共振周波数を大きくすることが困難であるので、それに比べて本実施形態に係る面発光型レーザは効果が顕著である。

また、上部反射鏡、および下部反射鏡として、ＨＣＧ（Ｈｉｇｈ Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｇｒａｔｉｎｇ）ミラーを用いることができる。ＨＣＧミラーは、高屈折率の材料と低屈折率の材料とが面内方向に交互に周期的に並んだ構成である。ＨＣＧミラーとして、例えば低屈折率の層の上に、高屈折率の材料を周期的に設けた構成が挙げられる。

なお、本実施形態に係る上部反射鏡と下部反射鏡の構造は各々独立に選ぶことができる。

本実施形態において、上方向から見た際の上部および下部反射鏡と可動部の形状に関しては特に制限は無い。また、上部反射鏡または下部反射鏡と、可動部の形状が同一であっても良い。上部反射鏡または下部反射鏡が可動部より大きい構成であってもよい。逆に、可動部が上部反射鏡または下部反射鏡より大きい構成であっても良い。

また、上部反射鏡および下部反射鏡と可動部がそれぞれの一部分で重なるような配置であってもよい。

（活性層）
本実施形態において、活性層は一般的な面発光型レーザに使用されているものを使用することができる。活性層の組成は、出射させたい光の波長によって適宜選ぶことができる。活性層として例えば、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ（ｘは０以上１以下の数）やＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ（ｙは０以上１以下の数）からなる材料などを用いることができる。

また、光分布に合わせて活性層を複数配置した、いわゆる周期利得構造としてもよい。

活性層には、不図示の電極から電流を注入することができる。活性層に電流が注入されれば、電極を設ける位置は特に限定されないが、第１のスペーサ層と空隙部との界面、および基板の下側に設けることができる。

本実施形態における活性層として、量子井戸層を有していてもよく、量子井戸層を複数有していてもよい。

（空隙部）
本実施形態において空隙部は通常空気からなるが、本実施形態に係る面発光型レーザが所望の波長の光を発振するのであれば、その他の気体、液体が存在していてもよく、真空であってもよい。

本実施形態において、空隙部中に設けた可動部が薄い場合、振動中にうける空気抵抗が無視できなくなり、高速振動が難しくなる場合が考えられる。その場合は、可動部の周囲を真空状態に、好ましくは空隙部を真空状態とすることで空気抵抗を減らし、より高速な振動を可能とすることができる。なお、ここで言う真空とは、気圧が標準大気圧より低い負圧の状態を指す。

または、空気の平均分子量より小さい分子量を持つ気体、例えばヘリウムガスを充填することで空気抵抗を低減してもよい。

（第１のスペーサ層、第２のスペーサ層）
本実施形態における第１のスペーサ層としては、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ（ｘは０以上１以下の数）等を用いることができ、下部反射鏡と活性層との間の光路長を調整する役割がある。光路長の調整は層の厚みや、上記ｘの値によって決まる屈折率を変えることで行う。本実施形態における第２のスペーサ層としては、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ（ｘは０以上１以下の数）等を用いることができ、上部反射鏡と活性層との間の光路長を調整する役割がある。

なお、スペーサ層はクラッド層ということもある。

本実施形態において、第１または第２のスペーサ層に、酸化領域、および非酸化領域を有する電流狭窄構造を有する層を設けてもよい。電流狭窄構造を有することにより、電極から注入された電流は、酸化されて絶縁化した酸化領域を流れることが出来ないので、導電性の非酸化領域に集中する。この電流狭窄構造によって注入電流を中央の狭い領域に集中させることにより、面発光型レーザのレーザ発振を低い注入電流で生じさせ、かつ、単一横モード発振を実現することができる。非酸化領域は、例えばＡｌ組成が０．９５以上のＡｌＧａＡｓ層を用いることができる。

（駆動部）
本実施形態において、空隙部中に配置した可動部を上下方向に駆動させる駆動部は、ＭＥＭＳ分野で一般的に使用されている技術を使用することができる。例えば静電、圧電、熱、電磁、流体圧などを利用して可動部を駆動させる駆動部を用いることができる。

（実施形態２）
実施形態２に係る面発光型レーザについて、図３を用いて説明する。ここでは、実施形態１と異なる事項について述べ、共通する事項については説明を省略する。

本実施形態では、空隙部１３０中の可動部１４０の光軸方向の両面に反射防止膜３００が形成されている。反射防止膜３００は、可動部１４０より屈折率が小さい。

可動部１４０の表面での光反射が強すぎる場合、可動部も１つの反射鏡として働いて複合共振器を形成してしまい、面発光型レーザが複雑な光学特性を示す場合がある。本実施形態では可動部１４０の表面に反射防止膜３００を形成することにより、可動部１４０の表面での光反射を低減して複合共振器の形成を抑制することができる。なお、図３では反射防止膜３００を可動部１４０における光軸方向の両面に設けた構成を示しているが、いずれか一方の面に設けた構成であってもよい。

（実施形態３）
実施形態３に係る面発光型レーザについて、図４を用いて説明する。ここでは、実施形態１、２と異なる事項について述べ、共通する事項については説明を省略する。

本実施形態では、空隙部１３０中に可動部４４０を２つ設けている。それ以外の構成は実施形態１と同様である。空隙部１３０中に可動部４４０を２つ設けることで、１つだけ設けた場合よりも波長可変幅を広げることが可能となる。その理由を簡単に述べる。図２を用いて説明したように、可動部を共振器中の光分布の腹や節に置くことで実効的な共振器長を変えられるが、可動部が１つの場合は同時に１つの腹や節の位置にしか置くことができない。ここで、可動部を複数設けると複数の腹や節の位置に同時に置くことができる。その結果、複数の可動部による影響が足し合わされ、可動部が１つの場合よりも波長可変幅を広げることができる。

なお、空隙部中に配置する可動部は２個に限らず、３個以上設けてもよい。

可動部を複数枚配置する場合、各可動部は独立に駆動してもよいし、一定の間隔を保ったまま同時に駆動してもよい。独立に駆動する場合の利点は、各可動部を最適な位置に配置することが可能になることである。例えばレーザ発振波長が変わると共振器中の光分布の腹の間隔が変わるので、それに合わせた間隔で各可動部を配置することができる。一方、一定の間隔を保ったまま同時に駆動する場合は上記のような最適配置をとる事はできないが、駆動部を共通化することで構成を簡単にすることができるため、実用上優れている。

また、複数の可動部の構成は同じであってもよいし、異なっていてもよい。３個以上の可動部を用いる場合、３個以上の可動部のうちの一部が同じであってもよい。

（用途）
上記実施形態１乃至３に係る面発光型レーザは、ＯＣＴなど測定装置の光源として利用することができる。

また、実施形態１乃至３に係る面発光型レーザを同一平面上に複数配列してアレイ光源として使用してもよい。

実施形態１乃至３に係る面発光型レーザにおいて、可動部の位置の変化がレーザ発振波長に反映される。逆に考えると、レーザ発振波長の変化から可動部の位置の変化を検出することも可能である。そのため、実施形態１乃至３に係る面発光型レーザは共振器中の可動部の位置の変化を検出する位置センサとして使用することも可能である。

（光干渉断層計（ＯＣＴ））
上記実施形態１乃至３に係る面発光型レーザをＯＣＴに用いた例について図５を用いて説明する。

本実施形態に係るＯＣＴ装置は、光源部５０１、干渉光学系５０２、光検出部５０３、情報取得部５０４、を少なくとも有する構成であり、光源部５０１は上記で説明した本実施形態に係る面発光型レーザである。また、図示していないが、情報取得部５０４はフーリエ変換器を有する。ここで、情報取得部５０４がフーリエ変換器を有するとは、情報取得部が入力されたデータに対してフーリエ変換する機能を有していれば形態は特に限定されない。一例には、情報取得部５０４が演算部を有し、該演算部がフーリエ変換する機能を有する場合である。具体的には、該演算部がＣＰＵを有するコンピュータであり、このコンピュータが、フーリエ変換機能を有するアプリケーションを内蔵する場合である。他の例は、情報取得部５０４がフーリエ変換機能を有するフーリエ変換回路を有する場合である。光源部５０１から出た光は干渉光学系５０２を経て測定対象の物体５１２の情報を有する干渉光となって出力される。干渉光は光検出部５０３において受光される。なお光検出部５０３は差動検出型でも良いし単純な強度モニタ型でも良い。受光された干渉光の強度の時間波形の情報は光検出部５０３から情報取得部５０４に送られる。情報取得部５０４では、受光された干渉光の強度の時間波形のピーク値を取得してフーリエ変換をし、物体５１２の情報（例えば断層像の情報）を取得する。なお、ここで挙げた光源部５０１、干渉光学系５０２、光検出部５０３、情報取得部５０４以外の部位を任意に設けることができる。

以下、光源部５０１から光が発振されてから、測定対象の物体の断層像の情報を得るまでについて詳細に説明する。

光の波長を変化させる光源部５０１から出た光は、ファイバ５０５を通って、カップラ５０６に入り、照射光用のファイバ５０７を通る照射光と、参照光用のファイバ５０８を通る参照光とに分岐される。カップラ５０６は、光源の波長帯域でシングルモードのもので構成し、各種ファイバカップラは３ｄＢカップラで構成することができる。照射光はコリメーター５０９を通って平行光になり、ミラー５１０で反射される。ミラー５１０で反射された光はレンズ５１１を通って物体５１２に照射され、物体５１２の奥行き方向の各層から反射される。一方、参照光はコリメーター５１３を通ってミラー５１４で反射される。カップラ５０６では、物体５１２からの反射光とミラー５１４からの反射光による干渉光が発生する。干渉した光はファイバ５１５を通り、コリメーター５１６を通って集光され、光検出部５０３で受光される。光検出部５０３で受光された干渉光の強度の情報は電圧などの電気的な情報に変換されて、情報取得部５０４に送られる。情報取得部５０４では、干渉光の強度のデータをフーリエ変換し断層像の情報を得る。この、フーリエ変換する干渉光の強度のデータは通常、波数クロックを用いて等波数間隔サンプリングされたデータであるが、等波長間隔にサンプリングされたデータを用いることも可能である。

得られた断層像の情報は、情報取得部５０４から画像表示部５１７に送って画像として表示させてもよい。なお、ミラー５１１を照射光の入射する方向と垂直な平面内で走査することで、測定対象の物体５１２の３次元の断層像を得ることができる。また、光源部５０１の制御は情報取得部５０４が電気回路５１８を介して行ってもよい。また図示しないが、光源部５０１から出る光の強度を逐次モニタリングし、そのデータを干渉光の強度の信号の振幅補正に用いてもよい。

本実施形態に係るＯＣＴは、光源５０１として、上記実施形態１乃至３に係る面発光型レーザを用いるため、波長可変幅が広く、波長可変速度を高くすることができる。そのため、奥行き分解能が高く、かつ、断層画像を高速に取得することが可能なＯＣＴを提供できる。

以下に、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下に説明する実施例の構成に限定されるものではない。例えば、材料の種類や組成、形状や大きさは本発明の範囲内で適宜変更できる。

以下の実施例では、レーザ発振波長として８５０ｎｍ付近のもの、および１０６０ｎｍ付近のものを示したが、適切な材料・構造の選択により、任意の波長での動作も可能である。以下の実施例における計算結果は、マクスウェル方程式の境界条件を考慮し、転送行列法を用いて共振器内の電磁場の分布を計算することで得た。

［実施例１］
実施例１に係る面発光型レーザについて説明する。本実施例に係る面発光型レーザは図１で示される実施形態１の構成である。

本実施例における面発光型レーザは、中心波長８５０ｎｍ付近で波長を変えることができるように設計したものである。具体的には、ＧａＡｓ基板１５０上に、下部反射鏡としての下部ＤＢＲ１１０、活性層１２０、空隙部１３０、可動部１４０、上部反射鏡としての上部ＤＢＲ１００が配置されている。

共振器長は、中心波長８５０ｎｍを１波長としたときに２波長分に相当するように構成されている。

上部ＤＢＲ１００はＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓと酸化ＡｌＡｓを交互に５ペア積層して構成された厚さ９０５ｎｍの積層体である。

下部ＤＢＲ１１０はＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓと酸化ＡｌＡｓを交互に７ペア積層して構成された厚さは１２６７ｎｍの積層体である。上部および下部ＤＢＲの各層の膜厚は、光学膜厚が中心波長の４分の１になるように設計されている。

活性層１２０は厚さ８ｎｍのＩｎ_０．０８Ｇａ_０．９２Ａｓで構成されている。

空隙部１３０中にはＡｌ_０．３０Ｇａ_０．７０Ａｓで形成された厚さ６０ｎｍのスラブ状の可動部１４０が設けられており、電圧印加による静電力で上下方向の位置を変えることができるようになっている。可動部の厚さは中心波長の１／４程度としている。また、可動部の屈折率は３．４３として設計を行った。

空隙部１３０には空気が存在し、空隙部１３０の光軸方向の厚さは、可動部１４０を除いた空気部分の厚さが６００ｎｍとなるように構成されている。

本実施例の構成は、エピタキシャル成長と選択ウエットエッチングを用いて形成することができる。エピタキシャル成長を行う際、空隙部に相当する部分はＧａＡｓの犠牲層として成膜しておく。

水とクエン酸と過酸化水素水の混合液をエッチャントとして用いることで、ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成に応じた選択エッチングが可能である。

本実施例では、水とクエン酸（重量比１：１）を混ぜ合わせたクエン酸水溶液と、濃度３０％の過酸化水素水を２：１の割合で混ぜたものをエッチャントとして用いる。この濃度であれば、ＧａＡｓ層とＡｌ_０．３０Ｇａ_０．７０Ａｓ層のエッチングレートの選択比を大きくとる事ができ、可動部１４０を残したままＧａＡｓ犠牲層を除去することで空隙部１３０と可動部１４０を形成することができる。

図６に、本実施例に係る面発光型レーザの発振波長を計算した結果を示す。なお、本計算では共振器特性のみを比較するために、活性層では波長によらず均一な利得が得られるものと想定して計算した。

図６のグラフの横軸は可動部位置、縦軸はレーザ発振波長を示している。なお、空隙部１３０中の最も下の位置を原点として、そこから上方向を正の向きとして可動部位置を定義した。

本構成において、可動部１４０を空隙部１３０の最も下の位置から見て１００ｎｍの位置から３００ｎｍの位置まで移動させると、レーザ発振波長を８０２ｎｍから８８８ｎｍまで変えることができる。

このように、可動部１４０の位置に応じてレーザ発振波長が連続的に変わっており、本発明を適用した面発光型レーザが波長可変レーザとして動作することを確認できた。また、上記の通り可動部１４０は上部反射鏡や下部反射鏡に比べて非常に薄く、また軽いため、高速に駆動させることができる。したがって、本発明を適用した面発光型レーザは広帯域かつ、高速に波長を変えることができる。

［実施例２ 可動部の両面に反射防止膜を有する構成］
実施例２に係る面発光型レーザについて説明する。本実施例に係る面発光型レーザは図３で示される実施形態２と同様の構成である。

本実施例では、空隙部１３０中の可動部１４０の光軸方向の両面に反射防止膜３００が形成されている。２つの反射防止膜３００はともに、可動部１４０よりＡｌ組成の高いＡｌ_０．８０Ｇａ_０．２０Ａｓ層とした。それ以外の構成は実施例１と同様である。

本実施例では可動部１４０の表面に反射防止膜３００を形成することにより、可動部１４０の表面での光反射を低減して複合共振器の形成を抑制することができる。

［実施例３ 可動部を複数設けられている構成］
実施例３に係る面発光型レーザについて説明する。本実施例に係る面発光型レーザは実施形態３で説明した図４で示されるように可動部を複数有する構成である。ただし、共振器長を４波長とした。

本実施例では、空隙部１３０の厚さを実施例１に比べて１波長（８５０ｎｍ）分だけ増やし、空隙部１３０中に実施例１で用いた可動部１４０と同じ可動部４４０を、光軸方向に３５０ｎｍの距離をおいて２〜４個設け、可動部間の距離は３５０ｎｍに固定した。それ以外の構成は実施例１と同様である。

図７に、共振器長を４波長として可動部を１〜４個設けた場合の発振波長の変化の計算結果を示した。可動部が複数個ある場合は可動部１個のときに比べて波長可変幅が広くなることがわかる。グラフの横軸である可動部位置は、複数の可動部のうち最も基板に近い位置に設けられた可動部の下側の面の位置を示している。

図７のグラフから読み取ると、可動部が１個の場合は、波長可変幅は約５０．３ｎｍ、可動部が２個の場合は６８．４ｎｍ、可動部が３個の場合は７２．４ｎｍ、可動部が４個の場合は６８．２ｎｍであった。

この結果により、空隙部中に可動部を複数設けることで、可動部が１個の場合より波長可変幅が広がることが確認できた。

［実施例４ 中心波長１０６０ｎｍ付近で波長可変である構成］
実施例４に係る面発光型レーザについて説明する。

本実施例におけるＶＣＳＥＬは、中心波長１０６０ｎｍ付近で波長可変であるように設計した。

本実施例に係る面発光型レーザは、図１に示した実施例１の構成と概ね同じである。

異なる点は、活性層１２０がＩｎ_０．３０Ｇａ_０．７０Ａｓで構成されている点、スラブ状の可動部１４０の光軸方向の厚さが８０ｎｍである点、可動部１４０を除いた空隙部１３０の空気部分の厚さが９５０ｎｍである点、上部ＤＢＲ１００および下部ＤＢＲ１１０を構成する各層の光学厚さが中心波長１０６０ｎｍの４分の１となっている点の４点である。

図８に、本実施例の構成において可動部１４０の位置を移動させた場合のレーザ発振波長の変化を示す。可動部位置の定義は実施例１と同様である。

本構成において、可動部１４０を空隙部１３０の最も下の位置から見て３００ｎｍの位置から５５０ｎｍの位置まで移動させると、レーザ発振波長を１０１２ｎｍから１１１８ｎｍまで変えることができる。

［実施例５ 可動部の屈折率を変えた構成］
実施例５に係る面発光型レーザについて説明する。本実施例に係る面発光型レーザは、実施例１で説明した面発光型レーザの構成と概ね同じであるが、可動部１４０の屈折率を３．０、３．５、４．０と変えた点、および可動部の厚さを変えた点が異なる。

図９に、可動部の屈折率と波長可変幅の関係を計算した結果を示す。

図９におけるグラフの縦軸の波長可変幅は、可動部１４０の位置を上下方向に移動させる際に変化するレーザ発振波長の最大値と最小値の差を中心波長で割って規格化した値を意味する。

図９に示す計算結果から２つの事が読み取れる。

１つ目は、可動部１４０の屈折率が大きいほど波長可変幅が大きくなるということである。これは、空隙部１３０中の媒質（この場合は空気）と可動部１４０との屈折率差が大きいほど、位置関係が変わった場合の影響が大きくなるからであると理解できる。

２つ目は、最も波長可変幅を大きくできる可動部厚さは可動部の屈折率に依存するということである。可動部１４０の屈折率が３．０の場合は厚さ７０ｎｍ、屈折率が３．５の場合は厚さ６０ｎｍ、屈折率が４．０の場合は厚さ５０ｎｍで波長可変幅が最大となっている。これは、可動部１４０の厚さを設計する際には、実際の厚さ（可動部の厚さ）に屈折率をかけた光学厚さが重要であることを示している。

この計算結果によれば、可動部１４０の光学厚さは２１０ｎｍ付近が最適であると考えられる。これは中心波長のおよそ１／４に相当する値である。

また、それぞれの最適厚さから±２０％ほどずれると波長可変幅が急激に減少しはじめることがわかる。そのため、可動部１４０の光学厚さは面発光型レーザから出射可能な光の波長範囲の中心波長の１／４±２０％の範囲であることが好ましく、中心波長の１／４±１０％の範囲であることがより好ましい。言い換えると可動部１４０の光学厚さｎｄは、本実施形態に係る面発光型レーザから出射可能な光の波長範囲の中心波長をλ０としたときに、下記式（３）で示されることが好ましく、下記式（４）で示されることがさらに好ましい。
λ_０／４×０．８≦ｎｄ≦λ_０／４×１．２ （３）
λ_０／４×０．９≦ｎｄ≦λ_０／４×１．１ （４）
［実施例６ 共振器長を変えた構成］
中心波長８５０ｎｍ付近で波長を変えることができるように設計した、図１に示したものと同様のＶＣＳＥＬ構造において、共振器長（λ）を変えて波長可変幅を計算した結果を図１０（ａ）に示す。図１０におけるグラフの縦軸の波長可変幅は、可動部１４０の位置を上下方向に移動させる際に変化するレーザ発振波長の最大値と最小値の差を中心波長で割って規格化した値を意味する。なお、可動部１４０の屈折率は３．５とした。図１０（ａ）に示す計算結果から２つの事が読み取れる。

１つ目は、共振器長によらず最も波長可変幅を広くできるのは可動部１４０の厚さが６０ｎｍの場合であるということである。これは、共振器長が変わっても可動部の最適厚さは変わらないことを示している。これは、可動部の最適厚さは波長との関係で決まるからであると考えられる。

２つ目は、共振器長が長くなるほど波長可変幅は狭くなるということである。このことをより分かりやすくするために、可動部の厚さ６０ｎｍでの共振器長と波長可変幅の関係をプロットした結果を図１０（ｂ）に示す。ここで、共振器長は中心波長λ＝８５０ｎｍを１波長としたときに何波長分に相当するかで表記している。

グラフから、共振器長が長くなるほど波長可変幅が狭くなることが読み取れる。

共振器長が１００波長を超えるような長共振器構造では、本実施例を適用してもレーザ発振波長を変える効果はほとんど見られない。一方、共振器長が１０波長より短くなるあたりから急激に波長可変幅が増大する。そのため、本実施例に係る面発光型レーザの共振器長は、好ましくは１００波長以下であり、より好ましくは１０波長以下、特に好ましくは３波長以下である。３波長以下の場合、０．０８μｍ程度の波長可変幅を実現できる。

図１０から、必要な波長可変幅によって使用できる共振器長の上限が決まることがわかる。例えば、中心波長の１０％に相当する波長可変幅を得るには共振器長は２波長以下、中心波長の６％に相当する波長可変幅を得るには共振器長は４波長以下、中心波長の４％に相当する波長可変幅を得るには共振器長は６波長以下、中心波長の３％に相当する波長可変幅を得るには共振器長は１０波長以下、中心波長の１％に相当する波長可変幅を得るには共振器長は３０波長以下、の共振器を使用する必要があることが上記計算結果からわかる。

一方、共振器長が短すぎると空隙部が短くなりすぎて、可動部を上下に駆動させることができなくなるという課題が発生するため、例えば共振器長は２波長以上であることが好ましい。

［実施例７］
実施例７に係る面発光型レーザについて説明する。

本実施例では、図１１に、空隙部の光路上における可動部の位置とレーザ発振波長と閾値利得の関係を計算した一例を示す。実施例１で説明した面発光型レーザと同様の構成について計算したものである。

なお、活性層は厚さ８ｎｍの量子井戸層が１層配置され、量子井戸層に均一に利得が分布しているものと想定して計算を行った。閾値利得（ｃｍ^−１）は、量子井戸層に単位長さあたりどれだけの利得があればレーザ発振を起こすかを示す指標である。

波長８５０ｎｍ付近で波長を変えようとする場合、可動部の位置は２００ｎｍ付近と４００ｎｍ付近の２つの選択肢がある。ここで閾値利得を比較すると、可動部位置が２００ｎｍの方が大幅に小さい。つまり、可動部位置が２００ｎｍ付近の方が発振しやすく、実用上優れている。

本実施例を適用した構成では、図１１のように同一波長が得られる可動部の位置が２つ以上存在する。そのうちの、より閾値利得の低い方を選んで使用することができる。

また、連続的に波長を変える時にも閾値利得が変動する場合がある。例えば、可動部の位置を２００ｎｍから２５０ｎｍまで変えるとレーザ発振波長は８５０ｎｍから８７４ｎｍにシフトする。それに伴い、閾値利得は約２倍に増大する。

以上の結果から、出射させる光の波長を変える際に安定した光出力を得るために、閾値利得の変動に合わせて活性層への励起光強度や注入電流値を調整する制御部を設けることが好ましい。

［実施例８］
実施例８に係る面発光レーザについて説明する。

本実施例では、実施例１で説明した面発光レーザの可動部の厚さを変えたときの波長可変幅の変化を図１２に示す。本実施例で可動部の厚さを除いた空隙部の厚さを１４５０ｎｍ、可動部の屈折率を３．５としたこと以外は、実施例１で説明した面発光レーザと同様の構成である。

図１２に示すグラフにおける縦軸の波長可変幅は、可動部１４０の位置を上下方向に移動させる際に変化するレーザ発振波長の最大値と最小値の差を中心波長で割って規格化した値を意味する。

図１２から、可動部の光学厚さが中心波長の１／４にλ／２の整数倍を足した値となるときに、波長可変幅が極大値をもつことがわかり、ｍの絶対値が大きいほど、波長可変幅の極大値が小さいことがわかる。したがって、可動部の光学厚さｎｄは下記式（５）で示されることが好ましいことがわかった。
ｎｄ＝λ_０／４＋ｍλ_０／２ （５）
上記式（５）においてλ_０は面発光型レーザから出射可能な光の波長範囲の中心波長であり、ｍは整数である。

さらに、本実施例と実施例５の結果から、可動部の光学厚さｎｄは下記式（６）で示されることが好ましく、下記式（７）で示されることがさらに好ましいと考えられる。
λ_０／４×０．８＋ｍλ_０／２≦ｎｄ≦λ_０／４×１．２＋ｍλ_０／２ （６）
λ_０／４×０．９＋ｍλ_０／２≦ｎｄ≦λ_０／４×１．１＋ｍλ_０／２ （７）
上記式（６）（７）における各パラメータは、式（５）のときと同様である。

１００ 上部反射鏡
１１０ 下部反射鏡
１２０ 活性層
１３０ 空隙部
１４０ 可動部
１５０ 基板

Claims (14)

1. 下部反射鏡と、
   活性層と、
   空隙部と、
   上部反射鏡と、をこの順に有し、出射する光の波長を変化可能な面発光型レーザであって、
   前記空隙部の光路上に、前記空隙部の屈折率と異なる屈折率を有する可動部が設けられており、
   前記空隙部の光路上における前記可動部の光軸方向の位置を変化させることで、出射する光の波長を変化させることを特徴とする面発光型レーザ。
2. 前記可動部の前記光軸方向の厚さが前記上部反射鏡、および下部反射鏡の光軸方向の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１に記載の面発光型レーザ。
3. 前記可動部の重量が前記上部反射鏡、および前記下部反射鏡よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の面発光型レーザ。
4. 前記上部反射鏡と前記下部反射鏡のうち少なくとも一方が分布ブラッグ反射鏡であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の面発光型レーザ。
5. 前記可動部の前記光軸方向の光学厚さｎｄが、下記式（６）で示されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の面発光型レーザ。
   λ_０／４×０．８＋ｍλ_０／２≦ｎｄ≦λ_０／４×１．２＋ｍλ_０／２ （６）
   上記式（６）においてλ_０は前記面発光型レーザから出射可能な光の波長範囲の中心波長であり、ｍは整数である。
6. 前記面発光型レーザから出射可能な光の波長範囲の中心波長を１波長としたときに、前記上部反射鏡と前記下部反射鏡とで形成される共振器長が１０波長以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の面発光型レーザ。
7. 前記共振器長が３波長以下であることを特徴とする請求項６に記載の面発光型レーザ。
8. 前記共振器長が２波長以上であることを特徴とする請求項６または７に記載の面発光型レーザ。
9. 前記可動部における前記光軸方向のいずれか一方の面に、前記可動部よりも小さい屈折率を有する反射防止膜が設けられていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の面発光型レーザ。
10. 前記空隙部に前記可動部が複数設けられていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の面発光型レーザ。
11. 前記空隙部の光路上における前記可動部の位置に応じて、前記活性層への励起光強度または注入電流値を制御する制御部を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の面発光型レーザ。
12. 前記空隙部が真空状態となっていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の面発光型レーザ。
13. 前記空隙部に空気の平均分子量より小さい分子量を持つ気体が充填されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の面発光型レーザ。
14. 光の波長を変化可能な光源部と、
    前記光源部からの光を物体へ照射する照射光と参照光とに分岐し、前記物体に照射された光の反射光と前記参照光による干渉光を発生させる干渉光学系と、
    前記干渉光を受光する光検出部と、
    前記干渉光の強度の時間波形に基づいて、前記物体の情報を取得する情報取得部と、
    を有する光干渉断層計であって、
    前記光源部は、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の面発光型レーザを有することを特徴とする光干渉断層計。